JP6925690B2 - タービンエンジンのための粒子分離装置組立体 - Google Patents
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Description
エンジン、特にガスまたは燃焼タービンエンジンは、エンジンを通過する燃焼ガスの流れから多数のタービンブレード上へとエネルギーを抽出するロータリーエンジンである。ガスタービンエンジンは陸地および海上での移動ならびに発電に使用されてきたが、最も一般的には、ヘリコプターを含む航空機などの、航空応用に使用される。航空機では、ガスタービンエンジンは、航空機の推進に使用される。陸上応用では、タービンエンジンはしばしば発電に使用される。さらに、粒子状物質を含有するものなどの、汚い流体の流れのための流体システムは、例えばタンクまたは発電装置の中に、下流エンジンを含み得る。
航空機のガスタービンエンジンは、エンジン効率を最大化するために高温で動作するように設計されており、そのため、高圧タービンおよび低圧タービンなど、特定のエンジン構成要素の冷却が必要となり得る。典型的には、冷却は、高圧および/または低圧コンプレッサーから、冷却を必要とするエンジン構成要素まで、冷たい空気をダクトに通すことによって達成される。タービンの空気は高温であるが、コンプレッサーの空気と比べて冷たく、タービンを冷却するのに使用され得る。タービンを冷却する際、冷却用空気は、タービンシュラウドおよびタービンブレードの内部を含む、さまざまなタービン構成要素に供給され得る。
エンジン吸気内の塵、埃、砂、火山灰、および他の環境汚染物質などの粒子は、ひどいコンプレッサー腐食を引き起こし得る。粒子がエンジンを通って移動すると、粒子は、燃焼ガス中で溶け、その後、タービン流路表面上で再び凝固し得る。タービン冷却用空気に混入した粒子は、堆積し、冷却通路を塞ぐため、冷却の減少を引き起こし得る。これらの影響はすべて、航空機環境について運転時間または「飛行時間(time-on-wing)」を減少させる。この問題は、タービンエンジンが著しい量の風媒粒子にさらされる地球(globe)周辺の特定の動作環境で悪化する。
一態様では、タービンエンジンが、軸流配列でコンプレッサーセクション、燃焼セクション、およびタービンセクションを有するエンジンコアと、コンプレッサーセクション、燃焼セクション、またはタービンセクションのうちの少なくとも1つと流体連通している冷却用空気回路と、冷気回路に流体連結され、冷気回路中の冷却用空気の少なくとも一部が通過する冷却用空気通路を画定する粒子分離装置と、粒子分離装置と一体的な少なくとも1つの流体チャネルを有する熱交換器と、を含む。
別の態様では、粒子分離装置組立体が、一体構造体を形成する粒子分離装置および熱交換器を含み、粒子分離装置は、気流通路を画定するハウジングを有し、熱交換器は、ハウジングの少なくとも一部に形成された冷却剤通路を有する。
さらに別の態様では、気流通路および清掃通路を画定する粒子分離装置で気流から粒子を分離する方法が、気流通路を通して空気を流すステップと、主要気流の温度を変化させることによって気流から粒子を引き出すステップと、を含む。
本発明の記載される実施形態は、粒子分離装置が熱交換器と一体化した粒子分離装置組立体による粒子除去に関するシステム、方法、および他の装置を対象とする。例示目的で、本発明は、航空機のガスタービンエンジンに関して説明される。しかしながら、本発明はそのように制限されず、航空機以外の適用、例えば他の自動車の適用、ならびに自動車以外の産業、商業、および住宅での適用で、一般的適用性を有し得ることが、理解されるであろう。
本明細書で使用される場合、用語「軸方向の」または「軸方向に」は、エンジンの長手方向軸に沿うかまたはエンジン内部に配された構成要素の長手方向軸に沿う寸法を指す。「軸方向の」または「軸方向に」と併せて使用される用語「前方」は、エンジン入口に向かう方向に動くこと、または構成要素が別の構成要素と比べてエンジン入口に比較的近いことを指す。「軸方向の」または「軸方向に」と併せて使用される用語「機尾に」は、エンジン中心線に対してエンジンの後部または出口に向かう方向を指す。
本明細書で使用される場合、用語「半径方向の」または「半径方向に」は、エンジンの長手方向中心軸、外側エンジン周縁部、またはエンジン内部に配された円形もしくは環状構成要素の間に延びる寸法を指す。用語「近位の」または「近位に」の使用は、単独で、または用語「半径方向の」もしくは「半径方向に」と併せて、長手方向中心軸に向かう方向に動くこと、または構成要素が別の構成要素と比べて長手方向中心軸に比較的近いことを指す。
本明細書で使用される場合、用語「接線方向の」または「接線方向に」は、エンジンの長手方向軸またはその中に配された構成要素の長手方向軸に対する半径方向線に垂直に延びる寸法を指す。
すべての方向への言及(例えば、半径方向、軸方向、上方、下方、上向き、下向き、左、右、横、前、後ろ、上、下、上部、下部、垂直、水平、時計回り、反時計回り)は、本開示の読者の理解を助ける識別目的でのみ使用されており、特にその位置、配向、または使用に関する制限を生じるものではない。接続への言及(例えば、取り付けられた、連結された、接続された、および接合された)は、広く解釈されるものであり、別段定めのない限り、一群の要素間の中間部材および要素間の相対運動を含み得る。したがって、接続への言及は、2つの要素が直接接続され、互いに固定された関係にあることを必ずしも暗示するわけではない。例示的な図面は、例示目的にすぎず、添付の図面に反映される寸法、位置、順序、および相対的なサイズは、さまざまであってよい。
図1は、航空機用のガスタービンエンジン10の概略断面図である。エンジン10は、概ね長手方向に延びる軸または前方14から機尾16に延びる中心線12を有する。エンジン10は、下流の直流関係に、ファン20を含むファンセクション18と、ブースターまたは低圧(LP)コンプレッサー24および高圧(HP)コンプレッサー26を含むコンプレッサーセクション22と、燃焼器30を含む燃焼セクション28と、HPタービン34およびLPタービン36を含むタービンセクション32と、排出セクション38と、を含む。
ファンセクション18は、ファン20を取り囲むファンケーシング40を含む。ファン20は、中心線12の周りに半径方向に配された複数のファンブレード42を含む。HPコンプレッサー26、燃焼器30、およびHPタービン34は、エンジン10のコア44を形成し、これは、燃焼ガスを生成する。コア44は、ファンケーシング40と連結され得る、コアケーシング46によって囲まれる。
エンジン10の中心線12の周りに同軸に配されたHPシャフトまたはスプール48は、HPタービン34をHPコンプレッサー26に駆動的に(drivingly)接続する。エンジン10の中心線12の周りで、より大径の環状HPスプール48内部に同軸に配された、LPシャフトまたはスプール50は、LPタービン36をLPコンプレッサー24およびファン20に駆動的に接続する。スプール48、50は、エンジン中心線を中心として回転可能であり、複数の回転可能な要素に連結され、これらの回転可能な要素は、集合的にローター51を画定し得る。
LPコンプレッサー24およびHPコンプレッサー26はそれぞれ、複数のコンプレッサーステージ52、54を含み、コンプレッサーステージでは、1組のコンプレッサーブレード56、58が、対応する1組のコンプレッサー静翼60、62(ノズルとも呼ぶ)に対して回転して、ステージを通過する流体の流れを圧縮または加圧する。単一のコンプレッサーステージ52、54では、複数のコンプレッサーブレード56、58は、円形に設けられてよく、中心線12に対して半径方向外向きに、ブレードプラットフォームからブレード先端部まで延び得るが、対応するコンプレッサー静翼60、62は、回転するブレード56、58の上流に、かつこれらに隣接して位置決めされる。図1に示すブレード、翼、およびコンプレッサーステージの数は、例示目的でのみ選択されており、他の数も可能であることに注目する。
コンプレッサーのステージのブレード56、58は、ディスク61に装着され得、これは、HPスプール48およびLPスプール50のうちの対応する1つに装着され、各ステージは、それ自体のディスク61を有する。コンプレッサーのステージの翼60、62は、周方向の配置でコアケーシング46に装着され得る。
HPタービン34およびLPタービン36はそれぞれ、複数のタービンステージ64、66を含み、タービンステージでは、1組のタービンブレード68、70が、対応する1組のタービン静翼72、74(ノズルとも呼ぶ)に対して回転し、ステージを通過する流体の流れからエネルギーを抽出する。単一のタービンステージ64、66では、複数のタービンブレード68、70は、円形に設けられてよく、中心線12に対して半径方向外向きに、ブレードプラットフォームからブレード先端部まで延び得るが、対応するタービン静翼72、74は、回転するブレード68、70の上流に、かつこれらに隣接して位置決めされる。図1に示すブレード、翼、およびタービンステージの数は、例示目的でのみ選択されており、他の数も可能であることに注目する。
タービンのステージのブレード68、70は、ディスク71に装着され得、これは、HPスプール48およびLPスプール50のうちの対応する1つに装着され、各ステージは、専用のディスク71を有する。コンプレッサーのステージの翼72、74は、周方向の配置でコアケーシング46に装着され得る。
コンプレッサーセクション22およびタービンセクション32のうち、静翼60、62、72、74など、ローター部分に相補的なエンジン10の静止部分は、個別に、または集合的に、ステーター63とも呼ばれる。したがって、ステーター63は、エンジン10全体にわたって非回転要素の組み合わせを指し得る。
動作中、ファンセクション18を出る気流は、気流の一部がLPコンプレッサー24内に通されるように分割され、LPコンプレッサー24は次に、加圧気流76をHPコンプレッサー26に供給し、HPコンプレッサー26は、さらに空気を加圧する。HPコンプレッサー26からの加圧気流76は、燃焼器30内の燃料と混合されて、点火され、それによって燃焼ガスを生成する。HPタービン34によってこれらのガスからいくらかの仕事量(work)が抽出され、これが、HPコンプレッサー26を駆動する。燃焼ガスは、LPタービン36内に排出され、LPタービン36は、追加の仕事量を抽出して、LPコンプレッサー24を駆動し、排気ガスが、最終的に、排出セクション38を介してエンジン10から排出される。LPタービン36を駆動すると、LPスプール50が駆動されて、ファン20およびLPコンプレッサー24を回転させる。
加圧気流76の一部は、ブリード空気77としてコンプレッサーセクション22から引き出され得る。ブリード空気77は、加圧気流76から引き出されて、冷却を必要とするエンジン構成要素に提供され得る。燃焼器30に入る加圧気流76の温度は著しく上昇する。したがって、ブリード空気77によって提供される冷却は、温度が高まった環境では、このようなエンジン構成要素を動作させるのに必要である。
気流78の残り部分は、LPコンプレッサー24およびエンジンコア44を迂回し、静翼列、より具体的には、ファン排出側84における複数のエアフォイルガイド翼82を含む出口ガイド翼組立体80を通って、エンジン組立体10を出る。さらに具体的には、周方向の列の半径方向に延びるエアフォイルガイド翼82は、ファンセクション18に隣接して利用され、気流78の何らかの方向制御を及ぼす。
ファン20によって供給された空気の一部は、エンジンコア44を迂回し、エンジン10の一部、特に熱い部分を冷却するのに使用され、かつ/または航空機の他の側面を冷却するか、もしくは動力を供給するのに使用され得る。タービンエンジンの状況では、エンジンの熱い部分は、通常、燃焼器30、特にタービンセクション32の下流にあり、HPタービン34は、燃焼セクション28のすぐ下流にあるので、最も熱い部分である。冷却流体の他の供給源は、LPコンプレッサー24またはHPコンプレッサー26から排出された流体であって良いが、これに制限されない。粒子分離装置組立体86は、空気の一部が粒子分離装置組立体86を通過するように、エンジンコアの任意の部分に流体連結され得る。
図2は、粒子分離装置組立体86の斜視図である。粒子分離装置組立体86は、1組の壁102を備えたハウジング100を有する粒子分離装置88を含む。この1組の壁102は、任意の形状または形態をとる複数の壁であってよい。少なくとも1つの気流通路104が、1組の壁102によって部分的に画定されている。
構造的ダクト110が、気流通路104内部に設けられて清掃通路106を画定している。構造的ダクト110は、例示的な図表では、3つの別個のチャンバを画定する、1組のプレナム108を含む。3つのチャンバが示されているが、より多いか、またはより少ないチャンバが企図され、非限定的な例として、清掃通路106を画定する単一のチャンバが可能であることを理解されたい。
1組のプレナム108は、1つの連続した材料片、非限定的な例として、スチールから、形成され得、そのため、2つの実質的に傾斜する表面112が、互いに向かって傾斜し、平行に向かい合う壁114で終端する。一対の曲げ端部116が、平行に向かい合う壁114に垂直に形成され、一対の曲げ端部116のもう一方から離れて曲げられている。粒子ドレイン128が、平行に向かい合う壁114によって画定されて、少なくとも1つの気流通路104を清掃通路106に流体連結する。連続した材料片が記載されているが、1組のプレナム108の形状および構成は、任意の材料からのものであってよく、これには、非限定的な例として、互いに溶接された複数の材料片、または曲げるのではなく付加製造によって形成された単一の清掃通路106が含まれることを理解されたい。構造的ダクト110は示されるとおり複数の気流通路104内にあってよいことをさらに理解されたい。本明細書の説明は、例示目的であり、制限する意図はない。
熱交換器130が、粒子分離装置88と一体的であり、少なくとも1つの気流通路104の少なくとも一部をさらに画定するカバー132を含む。供給チャネル134がカバー132内部に設けられる。熱交換器130は、1組の壁102内部に位置し、供給チャネル134に流体連結された、少なくとも1つの流体チャネル136を含む。少なくとも1つの流体チャネル136は、(透視図で示されている)複数の流体チャネルであってよく、また、非限定的な例として、1組の壁102内部で供給チャネル134から清掃通路106に向かって延びるものとして示され得る。排出チャネル138も、1組の壁102内部で清掃通路106に近接して設けられ、各流体チャネル136に流体連結されている。
供給チャネル134、流体チャネル136、および排出チャネル138は、任意のタイプの流体チャネルであってよく、別個のチャネルである必要はない。非限定的な例として、チャネルは、カバー132もしくは1組の壁102内部、またはそれらのうちの一方もしくは両方に設けられたピンバンクチャネル(pin bank channels)または多孔質材料であってよい。これらの非限定的な例は、本明細書に記載される流体チャネル134、136、および138のように、均一な流動長を維持するように依然として機能するであろう。
粒子分離装置88および熱交換器130は一体であり、一体構造体140を形成し得るが、粒子分離装置88を画定する気流通路および清掃通路106は、熱交換器を画定する供給チャネル134、流体チャネル136、および排出チャネル138から流体的に分離されることを理解されたい。
粒子分離装置組立体86は、一体構造体140を形成せずに一体型の構造体であり得ることをさらに理解されたい。供給チャネル134、流体チャネル136、および排出チャネル138は、別個の構成要素であってよく、これらは、組み立てられると、粒子分離装置88と熱接触する。非限定的な例として、流体チャネル136は、1組の壁102の外部に設けられ得る。示されるように、流体チャネル136は、1組の壁102内部に設けられて、本明細書に記載される一体構造体140を形成する。
図3を参照すると、非限定的な例として、少なくとも1つの気流通路104は、複数のコーナー141によって画定された波形を有し得る。粒子分離装置組立体86全体に対して中心に位置する体軸122は、粒子分離装置組立体86の一定でない寸法を示し、そのため、異なる寸法Dが、1組の壁102の外部から体軸まで測定する場合に、測定される。少なくとも1つのフック142が、複数のコーナー141のうちの少なくとも1つに沿って設けられ得る。気流通路104を通過する空気120は、連続して方向を変え、複数のコーナー141の周りを動かなければならない。空気中の粒子は、空気が気流通路104を通過するにつれて次第にきれいになるように、少なくとも1つのフック142に捕捉され得ることが、さらに企図される。少なくとも1つのフック142と共に示されているが、フック142は、限定的とすることを意図しておらず、フックがいくらかの能力において粒子分離装置88の一部となり得るか、またはまったくならないように、オプションであることを、理解されたい。
図4を参照して、一体構造体140を利用する冷却用空気回路144の一部を、図2からの図表を用いて説明する。冷却用空気120が、主要気流150として、少なくとも1つの気流通路104に導入される。主要気流150は、コンプレッサーセクション22、燃焼セクション28、またはタービンセクション32のうちの1つからそれた空気など、清浄化の必要がある、エンジン内部の任意の空気であってよい。主要気流150は、いくつかの粒子が1組のフック142によって捕捉されるように、本明細書に記載されるとおり、気流通路104を通って移動する。主要気流150内部の他の粒子152は、粒子152が粒子ドレイン128を通過して清掃通路106に入り得るので、主要気流から除去される。より重い粒子152が、重力により粒子ドレイン128を通過し得るが、追加の粒子152が、熱拡散により、主要気流150から引き出されて、粒子ドレイン128を通過することも企図される。
熱拡散が起こるように、流体154が、流体供給156として供給チャネル134に導入される。流体供給156は、流体チャネル136を通って移動し、排出チャネル138内へと出る。流体154は、非限定的な例として冷却液またはバイパス空気であってよい。流体154は、流体154が主要気流150より相対的に暖かいかまたは冷たい、任意の温度であってよい。流体供給156と主要気流150との温度差は、熱拡散に起因し得る。
熱拡散は、粒子が熱い領域から冷たい領域に移動する場合はプラス(positive)に、粒子が冷たい領域から熱い領域に移動する場合はマイナス(negative)に標識される。典型的には、より重い/より大きい粒子は、より暖かい領域から離れて移動する、積極的な挙動(positive behavior)を示す。したがって、非限定的な例では、比較的暖かい流体が供給チャネル134に導入されると、気流通路内部の主要気流150中のより大きい粒子は、壁102から離れ、カバー132から離れて、清掃通路106に向かって移動して、粒子ドレイン128を通過し、1組のプレナム108によって捕捉される。同様に、より冷たい流体が供給チャネル134に導入されると、より大きい粒子は、壁102に向かって移動し、それらを壁に衝突させ、壁102を転がり落ちて清掃通路106に入れ、1組のプレナム108によって捕捉される。
粒子を気流から分離する方法は、最初に主要空気150を気流通路104に流すステップと、その後、本明細書に記載するように主要気流150の温度を変化させることによって粒子を清掃通路106に向かって引き寄せるステップと、を含む。方法は、フラッシング気流158を清掃通路106に導入するステップをさらに含み得る。フラッシング気流158は、1組のプレナム108内部で捕捉された粒子を除去することに貢献し得る。主要気流150は、より清潔な空気160として気流通路を出て、必要に応じて、コンプレッサーセクション22、タービンセクション32、または燃焼セクション28のうちの1つの方に向けられる。フラッシング気流158は、汚い気流162として出て、清浄化のために再処理されて、粒子に敏感である構成要素から離れてタービン流路に再導入されるか、または、エンジンコアからファンの流れに排出され得る。
図5は、代替的な粒子分離装置組立体186を示す。第2の粒子分離装置組立体186は、図2に示す例示的な粒子分離装置組立体86と機能が類似しており、したがって、同様の部品は、100だけ増加させた同様の数字で識別される。別段断りのない限り、第1の粒子分離装置組立体86の同様の部品の説明が、第2の粒子分離装置組立体186にも当てはまることを理解されたい。
第2の粒子分離装置組立体186は、非限定的な例として、サイクロンセパレーター188を含む。サイクロンセパレーター188は、1組の壁202を含む。1組の壁202は、気流通路204を画定する円筒形のハウジング200を形成し得る。入口ダクト205が、気流通路204に流体連結される。排気管207が、円筒形のハウジング200の上部またはシーリング232を通って延びて、気流通路204の内側境界209を画定する。
1組の壁202は、円筒形のハウジング200から延びる、体軸222から測定される、いくらか一定でない寸法を有するハウジング、非限定的な例として、実質的に円錐形のハウジング211、をさらに形成し得る。円錐形のハウジング211は、体軸222に沿って変化する半径Rを定めることができる。粒子ドレイン228が、円錐形のハウジング211の基部215に設けられ、排気管207と軸方向に整列される。
少なくとも1つの流体チャネル236が円錐形のハウジング211を画定する1組の壁202内部に位置するように、熱交換器230が一体構造体240を形成するようサイクロンセパレーター188と一体である。少なくとも1つの流体チャネル236は、同じ長さを有する(透視図で示された)複数の流体チャネルであってよい。1組の壁202内部に包まれて円錐形のハウジング211の円錐形状に従うと、各流体チャネル236は、同じ水平位置217で始まるが、異なる水平位置219で終わる。供給チャネル234が、同じ水平位置217に沿って設けられ、少なくとも1つの流体チャネル236に流体連結される。排出チャネル238が、異なる水平位置219に沿って少なくとも1つの流体チャネル236に流体連結され、そのため、排出チャネル238および供給チャネル234は、互いに垂直な平面内にある。
サイクロンセパレーター188および熱交換器230は一体であり、一体構造体240を形成し得るが、サイクロンセパレーター188を画定する気流通路204は、熱交換器230を画定する供給チャネル234、流体チャネル236、および排出チャネル238から流体的に分離されることを理解されたい。
本明細書に記載するような流体チャネル236の配列は、非限定的な例であることを理解されたい。流体チャネルは、別個のチャネルである必要はなく、非限定的な例として、サイクロンセパレーター188の周りに設けられたピンバンクチャネルまたは多孔質材料であってよい。これらの非限定的な例は、本明細書に記載される流体チャネル236のように、均一な流動長を維持するように依然として機能するであろう。
粒子分離装置組立体186は、一体構造体240を形成せずに一体型の構造体であり得ることをさらに理解されたい。供給チャネル234、流体チャネル236、および排出チャネル238は、別個の構成要素であってよく、これらは、組み立てられると、粒子分離装置188と熱接触する。非限定的な例として、流体チャネル236は、流体チャネル236が円筒形のハウジング200に巻き付けられるように、1組の壁202の外部に設けられ得る。示されるように、流体チャネル236は、1組の壁202内部に設けられて、本明細書に記載される一体構造体240を形成する。
図6は、部分的に切り取られたサイクロンセパレーター188である。動作中、サイクロンセパレーター188は、入口ダクト205を通して主要気流250を受け取る。主要気流250は、主要気流250が螺旋パターン221で流れ始めるように、高速で導入される。螺旋パターン221のきついカーブをたどるには慣性が大きすぎる、より大きい粒子252は、1組の壁202に衝突し、下まで落ちて、粒子ドレイン228を通って出る。残りの、より清潔な空気260は、排気管207から出る。
熱拡散に関して本明細書で論じたような、同じ原理を用いて、流体254が、供給チャネル234に導入される。流体254は、流体チャネル236を通って移動する。本明細書で論じるような流体254は、主要気流250より相対的に暖かいか、または冷たい温度でなければならない。非限定的な例では、相対的に冷たい流体が流体チャネル236に導入されると、慣性および熱拡散の両方、この場合はより暖かい領域から、より冷たい領域への積極的な動き(positive movement)は、より大きい粒子が壁202に衝突し、粒子ドレイン228に向かって転がり落ちる一因となる。
図7を参照すると、エンジン10の簡略化した概略図は、本明細書に記載する開示の態様による、粒子分離装置組立体86が一部をなす、冷却用空気回路144を示している。粒子分離装置組立体86のコールアウト148が明確にするため提供されている。第1の例示的な粒子分離装置組立体86に対応する数字のみが使用されるが、冷却用空気回路144は、本明細書に記載されるようなすべての粒子分離装置組立体86およびそれらの構成要素を含み得ることが理解される。
冷気回路144のさらなる部分は、コンプレッサー22、燃焼器30、またはタービンセクション32のうちの1つの中にある。さらに、粒子分離装置組立体86は、コンプレッサーセクション22、燃焼セクション28、またはタービンセクション32のうちの少なくとも1つに流体連結されて、冷気回路144内の冷却用空気120の少なくとも一部を通す気流通路104を画定する。
図7で分かるように、粒子分離装置組立体86を出る、より清潔な空気160は、第1のルート180では、主要空気150として始まり、コンプレッサーセクション22から収集され、粒子組立体86の粒子分離装置86の部分に導入され得、ここで、清浄化され、より清潔な空気160としてコンプレッサーに戻され得る。あるいは、第2のルート182では、より清潔な空気160は、粒子組立体86からタービンセクション32に移動し得る。さらに別のルート184では、より清潔な空気160は、燃焼セクション28に導入され得る。主要空気150は、非限定的な例として、ファン空気118、またはHPコンプレッサー26から引き出されたブリード空気77から、引き出され得る。より清潔な空気160は、本明細書に記載されるようにエンジンのエリアのうちのいずれかを冷却するのに使用され得、または、粒子分離装置組立体86内に再循環されて、さらに清潔な空気を生成することができる。
熱交換器内で使用される流体154は、非限定的な例として、ファン空気118、リザーバ126に位置する冷却剤123、またはHPコンプレッサー26から引き出されたブリード空気77から、引き出され得ることが企図される。同様に、主要気流150およびフラッシング気流158は、非限定的な例として、ファン空気118またはブリード空気77から引き出され得る。出ると、流体154は、再循環されて冷却用空気回路144で再び使用されるか、または、非限定的な例として、気流ガイド翼82を通って排出され得る124。同様に、汚い気流162も、気流ガイド翼82を通って排出され得、または非限定的な例として、エンジンオイル146などのエンジン10の他の部分を冷却するのに使用され得る。本明細書に記載されるような冷却用空気回路144は、制限されず、本明細書に記載される実施例のうちの1つもしくは任意の組み合わせで送られ、または別様に企図され得る。
図8を参照すると、例示的な冷気回路444が、タービンエンジン310の概略図に示されている。冷気回路444は、冷気回路144と同様であり、したがって、同様の部分は、300だけ増加させた同様の数字で識別され、別段断りのない限り、第1の冷気回路144の同様の部分の説明が第2の冷気回路444にも当てはまることが理解される。説明は、第2の冷気回路444、粒子組立体86または代替的な粒子分離装置組立体186と関連することをさらに認識されたい。これらの実施例は、限定的とする意図はなく、説明目的のためだけである。
HPコンプレッサーセクション326から抽出された汚い空気からなる主要気流450は、粒子分離装置組立体386に導入され得る。LPコンプレッサーセクション324からのブリード空気377は、分離された粒子を粒子分離装置組立体386から洗い流すために、もしくは粒子分離装置組立体386の熱交換器部分430中の冷却流体として、または、それら両方の組み合わせとして、利用され得る。粒子分離装置組立体386を出ると、より清潔な空気360は、必要に応じてタービンエンジン310のさまざまな部分に導入され得る。
タービンエンジン310は、さまざまな動作モードの下、動作する。例えば、エンジン310は、比較的低い出力レベルおよび比較的高い出力レベルにそれぞれ対応する第1および第2の動作モードの下、動作し得る。さらに具体的には、エンジン310は、第1の、航行動作モードおよび第2の離陸動作モードの下で航空機に動力を供給し得る。離陸中、エンジン310は、航行動作中に生成される比較的少量のスラスト出力と比較して、比較的大きいスラスト出力を生成するのに有効である。燃焼器330内の燃焼ガスの温度は、航行中より離陸中の方が著しく高く、冷却用空気は、典型的には比較的熱いエンジン構成要素が受ける温度を下げるために提供される。動作中にエンジン310の全体的な有効性を高めるために、冷却用空気は、さまざまな動作モードに必要な量のみで、比較的熱いエンジン構成要素に効果的に運ばれなければならない。したがって、より清潔な空気360は、粒子分離装置組立体386に流体連結され、例えばHPタービン336内の比較的熱いエンジン構成要素に導入される、より清潔な空気360の量を調節するのに使用される、調節装置390を通過し得ることが、さらに企図される。残りの空気は、次に、燃焼器330に提供される。
本明細書に記載される例示的な粒子分離装置組立体86、186、386で主要気流150から粒子152を分離する方法は、主要空気150を気流通路104に流すステップと、気流150に温度勾配を形成するように気流150の一部の温度を変化させることによって粒子152を気流150から引き出して、それにより、引き出された粒子が気流から除去され、粒子分離装置86から洗い流されるようにするステップと、を含む。例示的なサイクロンセパレーター188では、方法は、主要空気250を気流通路204に、螺旋パターン221で流すステップをさらに含み得る。
本明細書に記載されるような冷気回路144、444は、航空機のタービンエンジンに制限されず、航空機以外の実装態様を含む、任意の種類のエンジンで実装され得ることを理解されたい。本明細書に記載されるような調節装置390は、粒子分離装置組立体の入ってくる流体および/または出ていく流体を制御するためにコントローラおよび/または弁を有し得、本明細書に記載される実施例に制限されないことを、さらに理解されたい。
本明細書に開示される粒子分離装置86は、主要気流150から粒子を除去して、エンジンの他の部分に入る、より清潔な気流を生じるために清掃通路106を利用することを認識されたい。2つのプレナム108として示されているが、このアプローチは、複数のプレナム108を備えた清掃通路106に適用され得る。
複数の清掃通路106が粒子を捕捉するために流体的に別個であるが、粒子を堆積させるため、または他の目的で、さらなるステージで流体接続され得ることも、さらに理解されたい。
複数のコーナー141によって提供されるような実質的な曲がり角を利用することで、より小さい曲がり角を有するか、曲がり角を有しない他の粒子分離装置と比べて、エンジン10に入る粒子状物質のより多くの部分を除去し得ることを認識されたい。
さらに、本明細書に記載されるような粒子分離装置組立体86、186は、より大きい分離装置/熱交換装置またはシステムと一体であってよいことを、理解されたい。
本明細書に記載される粒子分離装置組立体86、186と関連する利益は、粒子分離の改善を含み、エンジン内部の吸い込まれる砂を減らし、飛行中のエンジン時間(engine time on wing)を改善する。さらに、粒子分離装置88、188、388を熱交換器130、230、430と組み合わせて、一体的な粒子分離装置組立体86、186、386を形成すると、分離および熱交換機能を単一のパッケージに組み合わせることを通じて圧力低下を減少させることによって、サイクル効率が増大する。
本明細書に記載されるような粒子分離装置組立体86、186は、航空機用のタービンエンジンでの適用、発電での適用、オイルおよびガス製造、石油化学製品に向けられているが、重量またはパッケージングに重点を置いた熱力学プロセス産業も企図されることをさらに理解されたい。
粒子分離装置組立体86、186、386が必要とされない環境では、粒子分離装置組立体86、186、386は特定の燃料消費を改善するために取り外し可能となるように設計され得ることも理解されたい。
この記載された説明は、最良の形態を含む発明を開示し、任意の装置もしくはシステムを作製および使用すること、ならびに任意の組み込まれる方法を実行することを含め、本発明を当業者が実践することを可能にするために、実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の実施例を含み得る。このような他の実施例は、特許請求の範囲の逐語的言語に相違しない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の逐語的言語からごくわずかに相違する等価な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲に含まれることが意図されている。
本発明のさらなる態様は、以下の項の主題によって提供される。
［項１］タービンエンジンであって、軸流配列でコンプレッサーセクション、燃焼セクション、およびタービンセクションを有するエンジンコアと、前記コンプレッサーセクション、燃焼セクション、またはタービンセクションのうちの少なくとも１つと流体連通している冷却用空気回路と、前記冷却用空気回路に流体連結され、前記冷却用空気回路からの少なくとも一部の冷却用空気が通過する気流通路を画定する粒子分離装置と、前記粒子分離装置と一体的な少なくとも１つの流体チャネルを有する熱交換器と、を含む、タービンエンジン。
［項２］前記粒子分離装置は、ハウジングを有し、前記少なくとも１つの流体チャネルは、前記ハウジングの少なくとも一部に形成されている、任意の前項に記載のタービンエンジン。
［項３］前記ハウジングは壁を画定し、前記流体チャネルは、前記壁に形成されている、任意の前項に記載のタービンエンジン。
［項４］前記粒子分離装置および前記熱交換器は、一体構造体を画定する、任意の前項に記載のタービンエンジン。
［項５］前記熱交換器は、複数の流体チャネルを含む、任意の前項に記載のタービンエンジン。
［項６］前記複数のチャネルのうちの少なくともいくつかは、同じ長さである、任意の前項に記載のタービンエンジン。
［項７］前記複数のチャネルのすべては、同じ長さである、任意の前項に記載のタービンエンジン。
［項８］前記熱交換器は、体軸を備えたハウジングを含み、前記ハウジングは、前記体軸に対して一定でない寸法を有する、任意の前項に記載のタービンエンジン。
［項９］前記ハウジングは、円錐であり、前記体軸は、前記円錐の中心線であり、前記一定でない寸法は、前記中心線からの半径である、任意の前項に記載のタービンエンジン。
［項１０］前記ハウジングは波形であり、前記体軸は、前記粒子分離装置に対して中心に位置し、前記一定でない寸法は、前記体軸から測定した長さである、任意の前項に記載のタービンエンジン。
［項１１］前記粒子分離装置は、調節装置に流体連結されている、任意の前項に記載のタービンエンジン。
［項１２］粒子分離装置組立体であって、一体構造体を形成する粒子分離装置および熱交換器を含み、前記粒子分離装置は、気流通路を画定するハウジングを有し、前記熱交換器は、前記ハウジングの少なくとも一部に形成された流体チャネルを有する、粒子分離装置組立体。
［項１３］前記ハウジングは壁を画定し、前記流体チャネルは、前記壁にある、任意の前項に記載の粒子分離装置組立体。
［項１４］前記熱交換器は、複数の流体チャネルを含む、任意の前項に記載の粒子分離装置組立体。
［項１５］前記複数のチャネルのうちの少なくともいくつかは、同じ長さである、任意の前項に記載の粒子分離装置組立体。
［項１６］前記複数のチャネルのすべては、同じ長さである、任意の前項に記載の粒子分離装置組立体。
［項１７］前記熱交換器は、体軸を備えたハウジングを含み、前記ハウジングは、前記体軸に対して一定でない寸法を有する、任意の前項に記載の粒子分離装置組立体。
［項１８］前記ハウジングは、円錐であり、前記体軸は、前記円錐の中心線であり、前記一定でない寸法は、前記中心線からの半径である、任意の前項に記載の粒子分離装置組立体。
［項１９］前記ハウジングは波形であり、前記体軸は、前記粒子分離装置に対して中心に位置し、前記一定でない寸法は、前記体軸から測定した長さである、任意の前項に記載の粒子分離装置組立体。
［項２０］前記粒子分離装置は、調節装置に流体連結されている、任意の前項に記載のタービンエンジン。
［項２１］気流通路を画定する粒子分離装置で気流から粒子を分離する方法であって、空気を前記気流通路に流すステップと、前記気流に温度勾配を形成するように前記気流の一部の温度を変化させることによって粒子を前記気流から引き出すステップと、を含む、方法。
［項２２］空気を前記気流通路に流すステップは、空気を螺旋パターンで流すステップをさらに含む、任意の前項に記載の方法。
［項２３］粒子を前記気流通路から引き出すステップは、引き出された前記粒子を前記気流から除去するステップをさらに含む、任意の前項に記載の方法。
［項２４］前記引き出された粒子を前記気流から除去するステップは、除去された前記粒子を前記粒子分離装置から洗い流すステップをさらに含む、任意の前項に記載の方法。
10 エンジン
12 中心線
14 前方
16 機尾
18 ファンセクション
20 ファン
22 コンプレッサーセクション
24 低圧(LP)コンプレッサー
26 高圧(HP)コンプレッサー
28 燃焼セクション
30 燃焼器
32 タービンセクション
34 HPタービン
36 LPタービン
38 排出セクション
40 ファンケーシング
42 ファンブレード
44 コア
46 コアケーシング
48 HPスプール
50 LPスプール
51 ローター
52 コンプレッサーステージ
54 コンプレッサーステージ
56 コンプレッサーブレード
58 コンプレッサーブレード
60 コンプレッサー静翼
61 ディスク
62 コンプレッサー静翼
63 ステーター
64 タービンステージ
66 タービンステージ
68 タービンブレード
70 タービンブレード
71 ディスク
72 タービン静翼
74 タービン静翼
76 加圧気流
77 ブリード空気
78 気流
80 出口ガイド翼組立体
82 エアフォイルガイド翼
84 ファン排出側
86 粒子分離装置組立体
88 粒子分離装置
100 ハウジング
102 壁
104 気流通路
106 清掃通路
108 プレナム
110 構造的ダクト
112 傾斜する表面
114 平行に向かい合う壁
116 曲げ端部
118 ファン空気
120 空気
122 体軸
123 冷却剤
126 リザーバ
128 粒子ドレイン
130 熱交換器
132 カバー
134 供給チャネル
136 流体チャネル
138 排出チャネル
140 一体構造体
141 コーナー
142 フック
144 冷却用空気回路
146 エンジンオイル
150 主要気流
152 粒子
154 流体
156 流体供給
158 フラッシング気流
160 より清潔な空気
162 汚い気流
180 第1のルート
182 第2のルート
184 別のルート
186 粒子分離装置組立体
188 サイクロンセパレーター
200 円筒形のハウジング
202 壁
204 気流通路
205 入口ダクト
207 排気管
209 内側境界
211 円錐形のハウジング
215 基部
217 同じ水平位置
219 異なる水平位置
221 螺旋パターン
222 体軸
228 粒子ドレイン
230 熱交換器
232 シーリング
234 供給チャネル
236 流体チャネル
238 排出チャネル
240 一体構造体
250 主要気流
252 粒子
254 流体
260 より清潔な空気
310 タービンエンジン
324 LPコンプレッサーセクション
330 燃焼器
336 HPタービン
360 より清潔な空気
377 ブリード空気
386 粒子分離装置組立体
390 調節装置
430 熱交換器部分
444 冷気回路
450 主要気流
12 中心線
14 前方
16 機尾
18 ファンセクション
20 ファン
22 コンプレッサーセクション
24 低圧(LP)コンプレッサー
26 高圧(HP)コンプレッサー
28 燃焼セクション
30 燃焼器
32 タービンセクション
34 HPタービン
36 LPタービン
38 排出セクション
40 ファンケーシング
42 ファンブレード
44 コア
46 コアケーシング
48 HPスプール
50 LPスプール
51 ローター
52 コンプレッサーステージ
54 コンプレッサーステージ
56 コンプレッサーブレード
58 コンプレッサーブレード
60 コンプレッサー静翼
61 ディスク
62 コンプレッサー静翼
63 ステーター
64 タービンステージ
66 タービンステージ
68 タービンブレード
70 タービンブレード
71 ディスク
72 タービン静翼
74 タービン静翼
76 加圧気流
77 ブリード空気
78 気流
80 出口ガイド翼組立体
82 エアフォイルガイド翼
84 ファン排出側
86 粒子分離装置組立体
88 粒子分離装置
100 ハウジング
102 壁
104 気流通路
106 清掃通路
108 プレナム
110 構造的ダクト
112 傾斜する表面
114 平行に向かい合う壁
116 曲げ端部
118 ファン空気
120 空気
122 体軸
123 冷却剤
126 リザーバ
128 粒子ドレイン
130 熱交換器
132 カバー
134 供給チャネル
136 流体チャネル
138 排出チャネル
140 一体構造体
141 コーナー
142 フック
144 冷却用空気回路
146 エンジンオイル
150 主要気流
152 粒子
154 流体
156 流体供給
158 フラッシング気流
160 より清潔な空気
162 汚い気流
180 第1のルート
182 第2のルート
184 別のルート
186 粒子分離装置組立体
188 サイクロンセパレーター
200 円筒形のハウジング
202 壁
204 気流通路
205 入口ダクト
207 排気管
209 内側境界
211 円錐形のハウジング
215 基部
217 同じ水平位置
219 異なる水平位置
221 螺旋パターン
222 体軸
228 粒子ドレイン
230 熱交換器
232 シーリング
234 供給チャネル
236 流体チャネル
238 排出チャネル
240 一体構造体
250 主要気流
252 粒子
254 流体
260 より清潔な空気
310 タービンエンジン
324 LPコンプレッサーセクション
330 燃焼器
336 HPタービン
360 より清潔な空気
377 ブリード空気
386 粒子分離装置組立体
390 調節装置
430 熱交換器部分
444 冷気回路
450 主要気流
Claims (22)
- タービンエンジンであって、
軸流配列でコンプレッサーセクション、燃焼セクション、およびタービンセクションを有するエンジンコアと、
前記コンプレッサーセクション、燃焼セクション、またはタービンセクションのうちの少なくとも１つと流体連通している冷却用空気回路と、
前記冷却用空気回路に流体連結され、前記冷却用空気回路からの少なくとも一部の冷却用空気が通過する気流通路を画定する粒子分離装置と、
前記気流通路の内部に設けられた構造的ダクトであって、前記構造的ダクトが、前記気流通路の中を流れる主要気流から引き出された粒子を受け入れるように構成された清掃通路、及び、前記気流通路を前記清掃通路に流体連結するように構成された粒子ドレインであって、前記引き出された粒子が前記粒子ドレインを通過して前記清掃通路に入るように構成された粒子ドレインを含み、前記粒子ドレインが、前記主要気流の流れ方向に対して垂直な粒子経路を画定する、構造的ダクトと、
前記粒子分離装置と一体的な少なくとも１つの流体チャネルを有する熱交換器と、
を含み、
前記構造的ダクトは、１つ又は複数の材料片で画定されたプレナムを含み、前記材料片は、下向きに傾斜して前記粒子ドレインで終端する傾斜表面を有する、タービンエンジン。 - 前記粒子分離装置は、ハウジングを有し、前記少なくとも１つの流体チャネルは、前記ハウジングの少なくとも一部に形成されている、請求項１に記載のタービンエンジン。
- 前記ハウジングは壁を画定し、前記流体チャネルは、前記壁に形成されている、請求項２に記載のタービンエンジン。
- 前記粒子分離装置および前記熱交換器は、一体構造体を画定する、請求項１に記載のタービンエンジン。
- 前記熱交換器は、複数の流体チャネルを含む、請求項１に記載のタービンエンジン。
- 前記複数のチャネルのうちの少なくともいくつかは、同じ長さである、請求項５に記載のタービンエンジン。
- 前記複数のチャネルのすべては、同じ長さである、請求項５に記載のタービンエンジン。
- 前記熱交換器は、体軸を備えたハウジングを含み、前記ハウジングは、前記体軸に対して一定でない寸法を有する、請求項１に記載のタービンエンジン。
- 前記ハウジングは波形であり、前記体軸は、前記粒子分離装置に対して中心に位置し、前記一定でない寸法は、前記体軸から測定した長さである、請求項８に記載のタービンエンジン。
- 前記粒子分離装置は、調節装置に流体連結されている、請求項１に記載のタービンエンジン。
- 粒子分離装置組立体であって、
一体構造体を形成する粒子分離装置および熱交換器を含み、前記粒子分離装置は、気流通路を画定するハウジングを有し、前記熱交換器は、前記ハウジングの少なくとも一部に形成された流体チャネルを有し、
前記気流通路の内部に構造的ダクトが設けられ、前記構造的ダクトが、前記気流通路の中を流れる主要気流から引き出された粒子を受け入れるように構成された清掃通路、及び、前記気流通路を前記清掃通路に流体連結するように構成された粒子ドレインであって、前記引き出された粒子が前記粒子ドレインを通過して前記清掃通路に入るように構成された粒子ドレインを含み、前記粒子ドレインが、前記主要気流の流れ方向に対して垂直な粒子経路を画定し、
前記構造的ダクトは、１つ又は複数の材料片で画定されたプレナムを含み、前記材料片は、下向きに傾斜して前記粒子ドレインで終端する傾斜表面を有する、粒子分離装置組立体。 - 前記ハウジングは壁を画定し、前記流体チャネルは、前記壁にある、請求項１１に記載の粒子分離装置組立体。
- 前記熱交換器は、複数の流体チャネルを含む、請求項１１に記載の粒子分離装置組立体。
- 前記複数のチャネルのうちの少なくともいくつかは、同じ長さである、請求項１３に記載の粒子分離装置組立体。
- 前記複数のチャネルのすべては、同じ長さである、請求項１３に記載の粒子分離装置組立体。
- 前記熱交換器は、体軸を備えたハウジングを含み、前記ハウジングは、前記体軸に対して一定でない寸法を有する、請求項１１に記載の粒子分離装置組立体。
- 前記ハウジングは波形であり、前記体軸は、前記粒子分離装置に対して中心に位置し、前記一定でない寸法は、前記体軸から測定した長さである、請求項１６に記載の粒子分離装置組立体。
- 前記粒子分離装置は、調節装置に流体連結されている、請求項１１に記載の粒子分離装置組立体。
- 請求項１から１０のいずれか一項に記載のタービンエンジンにおいて気流から粒子を分離する方法であって、
空気を前記気流通路に流すステップと、
前記気流に温度勾配を形成するように前記気流の一部の温度を変化させることによって粒子を前記気流から引き出すステップと、
を含む、方法。 - 空気を気流通路に流すステップは、空気を螺旋パターンで流すステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
- 粒子を気流通路から引き出すステップは、引き出された前記粒子を気流から除去するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
- 引き出された粒子を気流から除去するステップは、除去された粒子を前記粒子分離装置から洗い流すステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
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